馬鑫

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川 750011）

0 引言

大力發(fā)展新能源，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1]是助力國家“碳達(dá)峰·碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的必然選擇[2-3]?？紤]“十四五”期間電源裝機(jī)、負(fù)荷水平增長，風(fēng)電、光伏等隨機(jī)性、波動性電源占比的增加，進(jìn)一步加深了電網(wǎng)電量總體富余但時(shí)空分布不均的特征[4]，致使午間光伏大發(fā)期間新能源出力超過電網(wǎng)調(diào)峰能力和局部斷面送出能力而被迫棄電，晚高峰新能源小發(fā)期間無法滿足電網(wǎng)內(nèi)部供電及外送需求，導(dǎo)致需通過省間斷面購電或采取回降直流功率等措施，電力平衡安排和新能源消納愈加困難。為此，需大范圍配置靈活性資源跟隨負(fù)荷變化，并平衡新能源出力的大幅波動[5-6]。作為靈活性資源中建設(shè)周期短、見效快的措施[7]，火電機(jī)組靈活性改造[8-9]、多類型儲能裝置[10-11]及需求側(cè)響應(yīng)[12]受到廣泛關(guān)注并被大規(guī)模應(yīng)用于高比例新能源接入地區(qū)。

面對電力平衡緊張和新能源消納困難的挑戰(zhàn)，部分學(xué)者及專家針對電力平衡及靈活性資源容量配置進(jìn)行了深入研究：文獻(xiàn)[13-15]基于儲能容量對新能源消納的影響分析，提出了提升新能源消納的電力系統(tǒng)儲能容量配置策略；文獻(xiàn)[16]提出基于設(shè)備運(yùn)行壽命內(nèi)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性考慮的梯次電池儲能系統(tǒng)容量配置方法；文獻(xiàn)[17-18]提出儲能與電網(wǎng)或是新能源的聯(lián)合規(guī)劃，提高了新能源消納水平及電網(wǎng)運(yùn)行的頻率安全性；文獻(xiàn)[19-20]提出計(jì)及供電可靠性的儲能電站選址定容規(guī)劃方法，利用儲能設(shè)備提高了電力系統(tǒng)負(fù)荷供電的可靠性；文獻(xiàn)[21-22]提出基于電力平衡分析的儲能電站規(guī)劃方法，利用儲能設(shè)備提高了電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。以上文獻(xiàn)通過典型場景或是隨機(jī)生產(chǎn)模擬，實(shí)現(xiàn)了需求側(cè)響應(yīng)或多類型儲能裝置容量的優(yōu)化配置，但均未同時(shí)考慮全時(shí)序場景下電網(wǎng)電力平衡需求及新能源消納需求，無法實(shí)現(xiàn)靈活性資源對電源出力不確定性和負(fù)荷增長的平衡及匹配。

綜上所述，針對高比例新能源接入、多直流送端電網(wǎng)中長期發(fā)展面臨的電力平衡緊張問題，需在新建直流規(guī)劃過程中考慮其電力平衡需求及新能源消納需求，在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行場景中基于全時(shí)序生產(chǎn)模擬進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性測算，優(yōu)化需求側(cè)響應(yīng)及多類型儲能裝置配置容量，引導(dǎo)多類型儲能裝置、需求側(cè)響應(yīng)等電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)資源有序發(fā)展，提升電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)能力，全力保障電力可靠供應(yīng)及直流外送和新能源高比例消納。

1 靈活性資源全時(shí)序生產(chǎn)模擬配置方法

未來風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量將成為網(wǎng)內(nèi)第一大電源，其出力占電源總出力的比例越來越高，但由于其出力的波動性，使其不易納入宏觀層面的電力平衡測算，需要開展精細(xì)度更高的電力平衡及調(diào)峰需求測算。實(shí)際運(yùn)行中大量風(fēng)電出力、光伏出力、水電出力、負(fù)荷數(shù)據(jù)、調(diào)峰數(shù)據(jù)、直流曲線等歷史數(shù)據(jù)，為基于全時(shí)序生產(chǎn)模擬的電力平衡與新能源消納需求測算的開展及其靈活性資源配置策略的提出創(chuàng)造了條件。

1.1 電力缺口需求新能源受阻電力計(jì)算

受制于火電最小技術(shù)出力[23]，新能源總出力PN小于新能源消納空間。其中，新能源消納空間等于電網(wǎng)總負(fù)荷PL+直流總送出功率PHVDC-水電出力PW-電網(wǎng)總調(diào)峰深度∑fkSH,k；同時(shí)，受新能源多級送出斷面制約，新能源總出力PN往往小于其理論最大可發(fā)出力eSN，如式（1）所示：

式中：fk—具備調(diào)峰能力機(jī)組的調(diào)峰深度；

SH,k—具備調(diào)峰能力機(jī)組的裝機(jī)容量；

k—具備調(diào)峰能力的機(jī)組；

e—考慮多級斷面受阻后的新能源理論最大同時(shí)率；

SN—新能源總裝機(jī)容量。

在新能源出力較小時(shí)段內(nèi)，若火電機(jī)組最大出力無法滿足負(fù)荷供應(yīng)時(shí)，將產(chǎn)生電力缺口，因此火電總出力PH≤火電總出力空間。其中，火電總出力空間=電網(wǎng)總負(fù)荷PL+直流總送出功率PHVDC-水電出力PW-新能源實(shí)際總出力PN；同時(shí)，受制于實(shí)際開機(jī)容量（受機(jī)組檢修及出力受阻影響），火電總出力PH往往小于其最大可調(diào)容量（即火電總?cè)萘?檢修容量-受阻容量），如式（2）所示：

式中：ST,k—火電機(jī)組的受阻容量（受煤質(zhì)差或設(shè)備老舊或送出斷面受限）；

SJ,k—火電機(jī)組的檢修容量，若其停機(jī)則其檢修容量為其容量。

1.1.1 電力缺口需求計(jì)算

隨著負(fù)荷持續(xù)增長及新能源出力波動幅度持續(xù)加大，考慮火電機(jī)組檢修及出力受阻后，將存在較大電力缺口。此時(shí)，電力缺口PD=電網(wǎng)總負(fù)荷PL+直流總送出功率PHVDC-水電出力PW-新能源總出力PN-火電總出力PH，如式（3）所示：

1.1.2 新能源受阻電力計(jì)算

考慮電網(wǎng)調(diào)峰能力限制后，部分時(shí)段新能源出力將存在較大的受阻。此時(shí)，新能源受阻電力PX=新能源理論最大可發(fā)出力eSN-新能源總出力PN，如式（4）所示：

圖1 累計(jì)缺口電量及新能源受阻累計(jì)棄電量

通過上述方法，對每15 min 一個(gè)點(diǎn)，全年35 040個(gè)點(diǎn)進(jìn)行電力平衡計(jì)算，得到全年中每15 min的電力缺口和新能源受阻電力數(shù)據(jù)。對連續(xù)出現(xiàn)的每15 min 電力缺口進(jìn)行積分，得到全年發(fā)生電力缺口的累計(jì)缺口電量、發(fā)生次數(shù)、發(fā)生時(shí)段及持續(xù)時(shí)長。對發(fā)生電力缺口的累計(jì)缺口電量及持續(xù)時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到全年發(fā)生的單次最大累計(jì)缺口電量、不同累計(jì)缺口電量的概率、電力缺口最大持續(xù)時(shí)長和不同持續(xù)時(shí)長的概率。

同樣地，對連續(xù)出現(xiàn)的新能源受阻電力進(jìn)行積分，得到全年發(fā)生新能源受阻的累計(jì)受阻電量、發(fā)生次數(shù)、發(fā)生時(shí)段及持續(xù)時(shí)長。對發(fā)生新能源受阻的累計(jì)受阻電量及持續(xù)時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到全年發(fā)生的單次最大累計(jì)受阻電量、不同累計(jì)受阻電量分布的概率、新能源受阻最大持續(xù)時(shí)長和不同持續(xù)時(shí)長的概率。

1.2 靈活性資源全時(shí)序生產(chǎn)模擬的概率配置

受制于電力缺口的累計(jì)缺口電量、持續(xù)時(shí)長，儲能裝置的配置容量與儲能裝置放電時(shí)長的乘積應(yīng)大于一定概率限額的累計(jì)缺口電量值。受制于新能源累計(jì)受阻電量及持續(xù)時(shí)長，儲能裝置的配置容量與儲能裝置充電時(shí)長的乘積應(yīng)該大于一定概率限額的新能源累計(jì)受阻電量。

由于電力缺口的累計(jì)缺口電量和新能源累計(jì)受阻電量均大小滿足正態(tài)分布，其數(shù)值越大，對應(yīng)發(fā)生的概率越小。為滿足所有電力缺口或解決所有新能源受阻，儲能裝置需配置的容量較大且利用率較低；因此，需通過一定概率限額對應(yīng)的累計(jì)缺口電量或累計(jì)受阻電量，綜合考慮電力平衡需求,新能源利用率提升需求和儲能利用小時(shí)數(shù)，最終給出滿足一定概率條件下的累計(jì)缺口電量或累計(jì)受阻電量需要的儲能容量。

儲能容量確定后，剩余無法滿足的累計(jì)缺口電量需通過省間電力互濟(jì)或需求側(cè)響應(yīng)進(jìn)行滿足。省間電力互濟(jì)能力與需求側(cè)響應(yīng)容量為互補(bǔ)關(guān)系，若省間或區(qū)域間無潮流互濟(jì)能力時(shí)，應(yīng)通過需求側(cè)響應(yīng)以滿足電力平衡需求。由于實(shí)際調(diào)控運(yùn)行策略存在不確定性，準(zhǔn)確評估需求側(cè)響應(yīng)的配置容量存在較大難度。較為合理的方案是通過電網(wǎng)電力平衡能力評估以確定需求側(cè)響應(yīng)的配置容量，以滿足所有電力缺口及調(diào)用需求側(cè)響應(yīng)功率最小為原則，優(yōu)先采取儲能裝置放電以滿足部分電力缺口，采取需求側(cè)響應(yīng)覆蓋其余電力缺口。受制于單次電力缺口的累計(jì)缺口電量及持續(xù)時(shí)長，單次電力缺口需要配置的需求側(cè)響應(yīng)容量與單次電力缺口的持續(xù)時(shí)長之積應(yīng)等于累計(jì)缺口電量值減去儲能裝置單次最大放電量。為滿足所有電力缺口，需求側(cè)響應(yīng)的配置容量SR應(yīng)大于每一次電力缺口需要配置的需求側(cè)響應(yīng)容量，如式（5）所示：

式中:Wi—第i次發(fā)生電力缺口的累計(jì)缺口電量;

△ti—第i次電力缺口的持續(xù)時(shí)長;

Fi—儲能裝置單次最大放電量，其值小于儲能裝置的最大放電功率Pf,max與單次電力缺口的持續(xù)時(shí)長之積，且小于儲能裝置的最大放電深度Ef,max，其公式如式（6）所示：

2 算例分析

利用水電、風(fēng)電、光伏、負(fù)荷、直流外送功率歷史曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，生成未來規(guī)劃年的運(yùn)行曲線，通過每日96 點(diǎn)、每年35 040 點(diǎn)的數(shù)據(jù)對2025年全年電力平衡進(jìn)行精確模擬測算。

全年單時(shí)段累計(jì)缺額電量分布情況如圖2所示。全年單時(shí)段累計(jì)缺額電量主要集中在單日19：00-07：00 時(shí)段，且最大單時(shí)段累計(jì)缺額電量出現(xiàn)在單日的20：00。

圖2 全年單時(shí)段累計(jì)缺額電量分布

全年月度累計(jì)缺額電量分布情況如圖3 所示。全年各月累計(jì)缺額電量主要集中在4-9月以及12-1月份部分時(shí)段，且最大累計(jì)缺額電量出現(xiàn)在12月份。

定論已下，我再也沒有力量去為自己說些什么了。這個(gè)男人冷漠而又不失禮節(jié)的口吻，讓我清楚地意識到，自己的表現(xiàn)已經(jīng)糟糕得甚至不值得讓他去征求一下皮埃爾先生的意見。

圖3 全年各月累計(jì)缺額電量分布

全年缺額電力分布情況如圖4所示。缺額電力發(fā)生次數(shù)大部分集中在3 GW 以內(nèi)，約占缺額電力總發(fā)生次數(shù)的80%，4 GW以內(nèi)的電力缺額發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的93%。

圖4 缺額電力分布情況

全年單時(shí)段新能源累計(jì)受限電量分布情況如圖5所示。全年單時(shí)段新能源累計(jì)受限電量主要集中在單日8：00-16：00 時(shí)段，且最大單時(shí)段累計(jì)缺額電量出現(xiàn)在單日11：00。

圖5 全年單時(shí)段新能源累計(jì)受限電量分布柱狀圖

月度新能源累計(jì)受限電量分布如圖6 所示。全年各月新能源累計(jì)受限電量主要集中在1-7、9-12 月份部分時(shí)段，且新能源累計(jì)受限電量出現(xiàn)在2月份。

圖6 全年各月新能源累計(jì)受限電量分布

對新能源受限電力分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示。新能源受限電力大部分集中在3 GW以內(nèi)，其中3 GW 以內(nèi)新能源受限電力占總受限次數(shù)的70%；90%總受限次數(shù)的新能源受限電力在5 GW以內(nèi)。

圖7 新能源受限電力分布情況

全年202個(gè)時(shí)段存在電力缺額，連續(xù)缺額時(shí)段最長可達(dá)12.75 h，最短為0.25 h。最大連續(xù)累計(jì)缺額電量達(dá)23.43 GW·h，連續(xù)缺額時(shí)長12.75 h。累計(jì)缺額電量累計(jì)概率如圖8所示。

圖8 連續(xù)時(shí)間累計(jì)缺額電量累計(jì)概率曲線

儲能電站按2 h 放電時(shí)長考慮，為滿足不同概率場景的電量缺額，儲能電站及省間互濟(jì)或需求側(cè)響應(yīng)配置需求容量如表1 所示。考慮滿足90%概率場景的電量缺額需求，需配置儲能容量6 GW。考慮6 GW 儲能容量配置后，需配置需求側(cè)響應(yīng)容量1.73 GW，以滿足儲能裝置無法滿足的剩余累計(jì)缺口電量。

表1 考慮電力平衡需求的靈活性資源配置容量

經(jīng)測算全年366個(gè)時(shí)段存在新能源出力受限，連續(xù)受限時(shí)段最長可達(dá)15.5 h，最短為0.25 h；新能源最大連續(xù)受限電量86.14 GW·h，最大連續(xù)受限時(shí)長15.5 h。新能源累計(jì)受限電量累計(jì)概率如圖9所示。

圖9 連續(xù)時(shí)間新能源累計(jì)受限電量累計(jì)概率曲線

儲能電站按2 h 充電時(shí)長考慮，為緩解不同概率場景的新能源受限，儲能電站配置需求容量如表2 所示?？紤]滿足80%概率場景的新能源受阻緩解需求，需配置儲能容量6.5 GW。

表2 考慮新能源消納需求的靈活性資源配置容量

綜上可知，考慮6 GW 儲能容量配置后，滿足78%概率場景的新能源受阻緩解需求，新能源消納率可達(dá)95%以上。

考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，可預(yù)見我國用電負(fù)荷仍將保持中速增長；能源稟賦條件決定了我國必須進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展新能源。通過實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行場景中電力平衡需求及新能源消納壓力的經(jīng)濟(jì)性測算，優(yōu)化需求側(cè)響應(yīng)及多類型儲能裝置配置容量，實(shí)現(xiàn)靈活性資源對電源出力不確定性和負(fù)荷增長的平衡及匹配，提升電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)能力。

3 結(jié)語

針對高比例新能源接入、多直流送端電網(wǎng)中長期發(fā)展面臨的電力平衡緊張問題，提出考慮新建直流規(guī)劃電力平衡需求及新能源消納需求的靈活性資源配置方法，基于全時(shí)序生產(chǎn)模擬的經(jīng)濟(jì)性測算，為滿足連續(xù)時(shí)間的累計(jì)缺口電量及新能源受阻累計(jì)棄電量，優(yōu)化需求側(cè)響應(yīng)及多類型儲能裝置配置容量，實(shí)現(xiàn)靈活性資源對電源出力不確定性和負(fù)荷增長的匹配，引導(dǎo)多類型儲能裝置、需求側(cè)響應(yīng)等電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)資源有序發(fā)展，全力保障電力可靠供應(yīng)和新能源高比例消納。